距离去年年初研究电流型 LLC 控制器已经过去了很久,最近跟朋友聊起来他说 ST 还有一个 time shift control 的方法你还没有做过分析,于是我就开始留意了这方面的文献。恰好昨天晚上睡不着就打开论文来看了一下,发现这种控制确实巧妙,在不同于 TI,ON,NXP 的方法走出了一条新的道路。

 

从电流模式控制的方法来说,只要能直接控制在开关周期内流入功率级的功率就能实现对输出的控制,比如传统的控制电感电流峰值,FAN7688,UCC25640X 则是控制了流入谐振腔的电荷量。ST 这种方法也是从这个方面考虑和发展,且看下图所示:

 

 

上图是系统工作在谐振频率上的时域波形,可以看到由于感性的关系,谐振腔的电流要滞后于全桥产生的方波电压,上图标记为 TD。我们亦可知道在从电压源流经开关到谐振腔的电流,实际上是从电感电流过零之后开始到开关管关闭结束,也正是上图中的 TD 持续时间。因此,如果能控制 TD 时间的长度,则可以相对应的控制流入谐振腔的电荷。也正是 TD 越大,流入谐振腔的电荷越大,输出功率越高,反之流入的电荷量越低,输出功率越低,可见下图:

 

 

上图是轻负载的电流波形,此时输出功率极低,仅存在励磁电流。但是通过控制 TD 为开关周期的 0.25 倍也能在轻负载实现系统稳定。

 

最后是当 TD 完全等于开关周期长度时的波形,由于是抓了电感电流的 ZCD 点,所以他能让此时实现 ZVZCS。也可以防止直接进入容性区域,有非常大的电流流过开关的体二极管。并因为反向恢复的问题导致开关管上异常的电压应力,这种控制方法对短路和大负载启机会有很大的帮助。

 

 

关于小信号控制原理,可以参加参考文献 1。我这里就不做赘述了,看原文档最好。在下面我开始介绍控制模型的实现:

 

在参考文献 1 中提供了一个具体实现的逻辑时序图,从图中我了解到了几个关键的信息:

 

1,iF 是系统的控制变量,它决定了 TD 的时间长度。

 

2,在 LG 或 HG 置高后,还需要等待谐振电流过零,仅在谐振电流过零后 VCT 的电压才发生变化,否则就是要固定在三角波顶点和低点。

 

3,VCT 的电压平台区域持续的时间就是 TSW-TD 的时间,也就是引入谐振电流控制的关键控制变量。

 

4,开启 VCT 三角波的上升沿是由或非门实现,其逻辑是:LG 置高后,等谐振电流过零点后低于零点。

 

5,开启 VCT 三角波的下降沿是由与门实现,其逻辑是:LG 置低后,谐振电流过零点后大于零。

 

 

根据以上的逻辑和关键波形,我可以搭建控制模型:

 

(功率级)

 

(控制逻辑)

 

其中:ILR_ZCD 是取谐振电流过零点,它和或非门产生 VCT 的上升沿,和与门产生 VCT 的下降沿。加入的 AC10 是为了对系统做频率响应分析,我们可见 VCT 的关键波形:

 

 

VCT 和两个门的输出电压,分别表示了 TD 的上升和下降持续时间。

 

 

VCT 与谐振电流和 HG 与 LG 两个驱动波形,由上图可见我搭建的逻辑已经实现了参考文献 1 中的关键时序波形,并且实现对系统的控制。对控制变量 TD 进行频率响应分析,分析从 TD 到输出电压的频率响应,其波形表现为一阶系统:

 

 

对比同样功率级的电压模式控制的频率响应,可以看到明显的性能差异,在低频处的双极点消失了。

 

 

带来的好处就是:

 

 

小结:

根据参考文献 1 实现了 TSC 的控制模型,并对其时域和频域性能进行了分析。可以看到 TCS 确实是一种新颖的电流模式 LLC 控制方法,综合其他几种电流模式的控制思想来看,都是直接控制在开关周期内流入谐振腔的电荷来实现。如果大家对其他几家电流模式 LLC 控制器的控制感兴趣可见下面的传送门。

 

传送门:

VMC 和 CMC 的 LLC 控制器仿真对比 第一节 NCP1399 的数字振荡器实现

VMC 和 CMC 的 LLC 控制器仿真对比 第二节 NCP1399 和 L6599 控制模型实现

VMC 和 CMC 的 LLC 控制器仿真对比 第三节 FAN7688 控制模型实现

VMC 和 CMC 的 LLC 控制器仿真对比 第四节 (Ti UCC25640x 混合滞回控制)

VMC 和 CMC 的 LLC 控制器仿真对比 第五节 (完结篇)

 

谢谢观看,如果有错误恳请帮忙指正,谢谢。

 

回复关键字:

TSC_LLC 获得仿真模型(运行环境:simlpis)

 

参考文献:

1,Time-shift Control of LLC Resonant Converters
Claudio Adragna, STMicroelectronics, Italy, claudio.adragna@st.com